Aula 02 - Fundamentos da Solidificação dos Metais

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Aula 02: Fundamentos da Solidificação dos Metais
1. Introdução
Diferenças entre sólidos e líquidos
Eventos que caracterizam a solidificação. 
Heterogeneidades que podem ocorrer durante a 
solidificação.
Importância da solidificação na tecnologia de fundição.
2. Nucleação da Fase Sólida
Nucleação Homogênea
O conceito de Curvas de Resfriamento 
Nucleação Heterogênea
Aplicações práticas da Teoria da Nucleação Heterogênea 
3. Crescimento da Fase Sólida
Modelos de Crescimento
Crescimento com interface plana – solidificação 
progressiva
Crescimento com interface dendrítica – solidificação 
extensiva 
4.Macro e Microestruturas de Solidificação
Tipos de macroestruturas.
Influência dos parâmetros de processo.
Relações estruturas vs. Velocidade de 
solidificação. 
Fatores que influenciam na velocidade de 
solidificação.
Disciplina: Processos de Fabricação 
Parte 2: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran 
Dr. Eng. Metalúrgica
Diferenças entre Líquidos e Sólidos
LÍQUIDOS
Átomos apresentam 
alta energia cinética
Ordem de 
curto alcance
SÓLIDOS
Átomos podem vibrar apenas 
em torno de uma posição fixa 
Arranjados numa ordem de 
longo alcance
Fundamentos da Solidificação de Metais e Ligas
Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas.
Prof. Dr. Guilherme Verran
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Metal Líquido
Nucleação
Crescimento Composição
QuímicaVelocidade de 
Solidificação
Gradientes Térmicos
Redistribuição de Soluto
Morfologia da Interface S/L
Estrutura Segregação Defeitos
Metal Sólido
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Influência da Taxa de Resfriamento sobre a 
Microestrutura de Solidificação
Líquido
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102
104
106
108
Taxa de Resfriamento (K/s)
Microestruturas 
Convencionais
Microestruturas 
Refinadas
Novas 
Microestruturas
Dendritas, Eutéticos 
Grosseiros e outros 
constituintes 
Espaçamentos 
Dendríticos e Eutéticos 
Finos, e outros 
microconstituintes 
Estruturas 
Microcristalinas 
Estruturas Cristalinas 
Metaestáveis 
Estruturas vítreas ou 
amorfas
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SOLIDIFICAÇÃO
Objetivo: fixar os átomos que se 
movimentam violentamente e arranjá-los 
numa ordem de longo alcance
Retirada de Energia Térmica
(Resfriamento)
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• A transformação Líquido-Sólido por que 
passa o metal é de natureza ativa e 
dinâmica ⇒ ocorrem diversos eventos que 
devem ser devidamente controlados de 
modo a não comprometerem o 
desempenho final do produto.
SOLIDIFICAÇÃO
⇓
Ocorrência de Heterogeneidades
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Heterogeneidades que podem ocorrer durante a 
solidificação de metais ou ligas
• Físicas :
• Químicas:
• Estruturais:
• Porosidades
• Rechupes
• Trincas de Contração
• Segregações de Impurezas ou 
Elementos de Liga (escalas micro 
ou macroscópica).
Dos Grãos 
ou Cristais.
• Tipos
• Distribuição
• Tamanho
• Natureza
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Heterogeneidades
Fisicas 
Defeitos Fisicos
DESCONTINUIDADES AO 
LONGO DO MATERIAL.
• Porosidades
• Rechupes
• Trincas de 
Solidificação 
Contração na Solidificação
Modelo de Solidificação 
Projeto 
Gases Dissolvidos no Metal 
Liquido
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Micrografia mostrando 
Rechupe - defeito devido à 
contração na solidificação, 
aumento 100X.
Rechupe devido a 
contração na região 
de ponto quente.
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Micrografia mostrando porosidade típica em peca injetada 
devido ao aprisionamento de gás pelo sistema de injeção, 
aumento 50X. 
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Trinca formada em 
um canto do fundido, 
local onde as tensões 
internas são mais 
intensas.
Trincas de 
Solidificação 
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Importância do entendimento da Solidificação na 
Tecnologia de Fundição
• Dimensionamento e localização dos canais de 
enchimento e alimentação
• Conhecimento das causas e das medidas corretivas 
quanto aos defeitos de solidificação (rechupes, 
trincas, porosidades) e às heterogeneidades de 
composição química (segregações).
• Otimização e controle das variáveis do 
processo.
• Desenvolvimento de novos materiais e 
processos.
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Nucleação
Surgimento da fase sólida de forma estável no seio da 
fase líquida, sob a forma de pequenos núcleos 
cristalinos. 
Crescimento
Modo pelo qual estes núcleos crescem sob a forma 
de cristais ou grãos cristalinos.
Como todas as transformações de fase, a solidificação 
se processa em duas etapas sucessivas de Nucleação
e Crescimento de uma nova fase em meio à anterior.
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• Ocorre sem a interferência ou contribuição 
energética de elementos ou agentes estranhos ao 
sistema metal líquido-metal sólido.
Nucleação Homogênea
• Formação do Núcleo é devida à ocorrência do 
Superesfriamento Térmico.
Superesfriamento Térmico ⇒
Condição essencial para que 
os embriões da fase sólida 
possam sobreviver na forma 
de núcleos estáveis.
Fase Líquida 
Superesfriada 
Térmicamente
Fase Sólida apresenta Maior Estabilidade 
Termodinâmica, pois possui um valor de 
Energia Livre (G) menor que a fase líquida.
⇒
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CURVA DE RESFRIAMENTO - REGISTRO TÉRMICO DA SOLIDIFICAÇÃO
tempoTempo de Solidificação
Te
m
pe
ra
tu
ra
 
(0
C
)
∆T
L L + 
S
S
Temperatura de Vazamento - Tv
Temperatura de Nucleação - TN
Temperatura de Solidificação - TS
∆T = TS – TN Superesfriamento Térmico
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• Caracteriza-se pela interferência de agentes 
estranhos ao sistema denominados SUBSTRATOS 
(energia superficial participa do jogo energético da 
sobrevivência do embrião na forma de núcleo 
estável).
Nucleação Heterogênea
⇓
Condição mais favorável para a nucleação
O EMBRIÃO surge na superfície do substrato sob a forma de 
uma CALOTA ESFÉRICA, aproveitando a energia de 
superfície ali disponível.Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 02: Fundamentos da solidificação de metais e ligas.
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Aplicação Prática da Teoria da Nucleação Heterogênea
INOCULAÇÃO E REFINO DE GRÃO
Adição ou Inoculação de substratos heterogêneos
com alta potência de nucleação (sob a forma de partículas 
finamente divididas).
Os INOCULANTES (REFINADORES) são distribuídos 
uniformemente no seio do metal líquido por meio de um veículo 
volátil a eles previamente adicionado
Cada partícula do NUCLEANTE atua como um 
SUBSTRATO LOCALIZADO para a nucleação heterogênea da 
fase sólida, devido ao fato de apresentar um alto índice de 
molhamento pelo metal líquido.
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Crescimento da Fase Sólida
Após a formação do núcleo, o mesmo tende a crescer com 
resultado da deposição de átomos que migram do líquido para o 
sólido.
Mecanismos de Crescimento
• Crescimento com Interface Lisa (Facetada) ou 
Solidificação Progressiva
• Crescimento com Interface Difusa ou 
Solidificação Extensiva
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Interface 
Plana
Interface 
Celular
Interface 
Dendrítica
Nucleação 
Independente
Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação
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Líquido
Sólido
Crescimento com Interface Lisa ou 
Solidificação Progressiva
A Interface cresce segundo 
um Plano Atômico bem 
definido que separa as Fases 
Sólido (ordenada 
atomicamente) e Líquido 
(desordenada atomicamente), 
caracterizado por uma 
variação abrupta e nítida 
Típico de Metais Puros ou Ligas Eutéticas.
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Crescimento com Interface Difusa 
ou Solidificação Extensiva
Metal Semi-Sólido 
Metal Líquido 
Metal Sólido 
A Interface de Crescimento 
não apresenta uma 
separação bem definida 
entre as Fases Sólido e 
Líquido ocorrendo a 
formação de uma região 
intermediária formada pela 
mistura de fases sólida e 
líquida (metal semi-sólido).
Modelo de Crescimento característico de Ligas 
que solidificam sob um intervalo de temperaturas
( ∆T = TL – TS ⇒ Intervalo de Solidificação)
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MACROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO
• Zona Coquilhada 
(Chill) 
Camada periférica composta de pequenos 
grãos com orientação cristalográfica 
aleatória.
⇒
• Zona Colunar ⇒
Formada por grãos alongados que se 
alinham paralelamente à máxima extração 
de calor. Os grãos se formam por 
crescimento seletivo e preferencial
• Zona Equiaxial 
Central ⇒
Formada por grãos equiaxiais 
pequenos ou grandes com orientação 
cristalográfica aleatória.
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Macroestrutura de um 
lingote de Al puro 
Estrutura 
100%Colunar
Macroestrutura de um 
lingote da liga Al6Mg 
Estrutura 
100%Equiaxial
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Influência dos parâmetros do processo e do material sobre a 
formação da macroestrutura
↑ Extração de 
Calor
Adição de 
Inoculante
↑ % de Soluto
Agitação 
do líquido
Uso de massalotes
↑ Grau de 
Superaquecimento
Zona 
Equiaxial
Zona 
Colunar
Zona 
Coquilhada
Parâmetro
↓
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Efeito do Grau de Superaquecimento
sobre a Bruta de Fusão do Al Puro
S = 70 0 C S = 120 0 C
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Al Puro Al 6Mg 
Estrutura formada por 
grãos colunares.
Estrutura formada por 
grãos equiaxiais
COMPARAÇÃO DAS MACROESTRUTURAS DE UM METAL PURO E 
DE UMA LIGA VAZADOS COM O MESMO GRAU DE 
SUPERAQUECIMENTO
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VARIAÇÕES NA MACROESTRUTURA EM FUNÇÃO DE 
VARIAÇÕES NO GRAU DE SUPERAQUECIMENTO E DO USO 
OU NÃO DE REFINADOR DE GRÃO
 
Tv = 8150C
S/ REFINO C/ REFINO
Tv =7500C
 
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MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO
As microestruturas formadas na solidificação de ligas metálicas,
especialmente o tamanho médio dos grãos, estão diretamente 
relacionadas com a velocidade de solidificação.
A velocidade de solidificação, por sua vez, depende do processo 
de fundição utilizado e de características das pecas.
FATORES QUE INFLUENCIAM NA VELOCIDADE DE SOLIDIFICAÇÃO:
• Tipo de molde (material de moldagem) : areia x metal. 
• Dinâmica do Processo: gravidade x pressão. 
• Geometria da Peca: paredes grossas x paredes finas. 
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Velocidade de Resfriamento
Tamanho dos Grãos
Areia Coquilha Sob Pressão
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